DE102004046473A1

DE102004046473A1 - Linearmotor

Info

Publication number: DE102004046473A1
Application number: DE102004046473A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dittes
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: DE102004046473B4

Abstract

Linearmotor, umfassend zumindest einen Kühlkörper und ein Primärteil, DOLLAR A wobei das Primärteil mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist zur Abführung der Wärme vom Primärteil über den Kühlkörper an ein weiteres Medium, insbesondere Umgebungsluft, oder an eine weitere Vorrichtung, DOLLAR A wobei zwischen den Kontaktflächen des Primärteils und des Kühlkörpers Wärmeleitpaste zur Verbesserung der Wärmeleitung, insbesondere zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes, eingebracht ist, DOLLAR A wobei mindestens ein Teilbereich der Kontaktfläche des Primärteils oder der Kontaktfläche des Kühlkörpers aufgerauht bearbeitet und/oder ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearmotor.

Aus der DE 102 03 406 ist ein Linearmotor bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Linearmotor verbesserter Kühlung bei höherer Standzeit weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Linearmotor nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Linearmotor sind, dass er zumindest einen Kühlkörper und ein Primärteil umfasst,
wobei das Primärteil mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist zur Abführung der Wärme vom Primärteil über den Kühlkörper an ein weiteres Medium, insbesondere Umgebungsluft, oder an eine weitere Vorrichtung,
wobei zwischen den Kontaktflächen des Primärteils und des Kühlkörpers Wärmeleitpaste zur Verbesserung der Wärmeleitung, insbesondere zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes, eingebracht ist,
wobei mindestens ein Teilbereich der Kontaktfläche des Primärteils oder der Kontaktfläche des Kühlkörpers aufgerauht bearbeitet und/oder ausgeführt ist.

Von Vorteil ist dabei, dass die Wärmeabfuhr über die gesamte Standzeit möglichst gut bleibt. Insbesondere erfahren große feste Bestandteile der Wärmeleitpaste eine Fixierung, wodurch die Auswaschung der Wärmeleitpaste verhindert oder zumindest stark reduziert wird. Außerdem ist die Nennleistung der Vorrichtung, erhöhbar und die Vorrichtung ist auch bei Anwendungen einsetzbar, die eine hohe Temperaturwechselbelastung, insbesondere für das Primärteil und/oder den Kühlkörper, erfordern.

Die Lebensdauer oder zumindest die von dem Primärteil ausgehende Beeinflussung der Lebensdauer der Vorrichtung ist also hoch, auch wenn sehr viele und sehr starke Temperaturhübe erfolgen, insbesondere ist die Lebensdauer höher als bei Vorrichtungen nach Stand der Technik mit nicht aufgerauter Kontaktfläche.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zur wärmeleitenden Verbindung zwischen Primärteil und Kühlkörper die Kontaktflächen mindestens im Teilbereich eben bearbeitet, damit die Kontaktflächen dort dicht aneinander anliegen. Von Vorteil ist dabei, dass der Wärmeübergangswiderstand von Primärteil und Kühlkörper gering ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Teilbereich erhaben über der sonstigen Oberfläche ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Bearbeitung einfach und kostensparend auf den Teilbereich begrenzt ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kontaktflächen zumindest im Teilbereich eine Ebenheit, also Formabweichung oder Gestaltsabweichung erster Ordnung, auf, die besser ist als 5 μm pro 10 mm. Von Vorteil ist dabei, dass wiederum der Wärmeübergangswiderstand von Primärteil und Kühlkörper gering ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rauheit im Teilbereich größer als die Korngröße der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste. Von Vorteil ist dabei, dass die festen Bestandteile eine Fixierung erfahren, wenn Primärteil und Kühlkörper verbunden werden, insbesondere lösbar mit Befestigungsschrauben.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rauheit im Teilbereich größer als die um 10 μm verminderte Korngröße der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders gute Fixierung der festen Bestandteile zwischen den Profilkuppen und/oder Profiltälern den Kontaktflächen des Primärteils und des Kühlkörpers erreichbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rauheit mit der gemittelten Rauhtiefe R_Z gemäß DIN 4768 beschrieben und/oder hat die gemittelten Rauhtiefe R_Z gemäß DIN 4768 einen Wert, der größer ist als 20 und/oder beträgt die gemittelten Rauhtiefe R_Z gemäß DIN 4768 einen 25. Von Vorteil ist dabei, dass eine handelsübliche Wärmeleitpaste verwendbar ist und die Rauheit der Kontaktoberfläche kostengünstig mit bekannten Mitteln herstellbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktflächen zumindest im Teilbereich mittels Fräsen, Hohnen, Schleifen und/oder Läppen zur Herstellung der Ebenheit, also ebenen Form, bearbeitet. Von Vorteil ist dabei, dass die ebene Form in kostengünstiger Art und Weise erreichbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktflächen zumindest im Teilbereich mittels Sandstrahlen, Erodieren oder Ätzen zur Herstellung der Rauheit bearbeitet. Von Vorteil ist dabei, dass die Rauheit in kostengünstiger Weise erreichbar ist und die Vertiefungen oder Profiltäler in der Kontaktoberfläche keine Vorzugsrichtung aufweisen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Aufrauhung innerhalb der Kontaktfläche isotrop ist und/oder keine Vorzugsorientierung. Von Vorteil ist dabei, dass die durch die vorhergehende Bearbeitung, wie beispielsweise Fräsen, eingebrachte Vorzugsrichtung überdeckt ist. Insbesondere wird durch die Aufrauhung eine durch vorhergegangene Bearbeitungsschritte entstandenen Rauhigkeit mit Ausrichtung, wie beispielsweise Rillen, überdeckt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Primärteil ein oder mehrere Starkstromwicklungen. Von Vorteil ist dabei, dass ein industrieübliches Teil einsetzbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Primärteil mit dem Kühlkörper derart wärmeleitend verbunden, dass der Wärmeübergangswiderstand zwischen Kühlkörper und Primärteil kleiner ist als der Wärmeübergangswiderstand zwischen Primärteil und weiteren Vorrichtungen oder Medien. Insbesondere ist das Medium Umgebungsluft, ein metallisches Gehäuse und/oder eine Flüssigkeit. Somit ist eine gute und kostengünstige Kühlung erzielbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung eine auf dem beweglichen Teil des Linearmotors aufgeschraubte Last. Von Vorteil ist dabei, dass eine Last mit beispielsweise metallischem Gehäuse die Wärmeabfuhr weiter verbesserbar macht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Primärteil
2: Wärmeübertragungsfläche
3: Kühlkörper
4: Trennfuge
5: Sekundärteil

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist der erfindungswesentliche Teile eines Linearmotors gezeichnet.
Das Sekundärteil 5 und das Primärteil 1 sind gegeneinander relativ bewegbar. Dabei umfasst das Sekundärteil in Bewegungsrichtung Dauermagnete mit abwechselnder Orientierung.
Das Primärteil umfasst felderzeugende Wicklungen, die auf ein Blechpaket aufgeschoben sind. Dieses Blechpaket ist vergossen und in 1 als Primärteil 1 gezeigt. Nur an der Wärmeübertragungsfläche 2 schauen die Enden der Bleche des Blechpakets heraus, wobei diese Wärmeübertragungsfläche 2 mit Fräsen bearbeitet wird, um eine plane Fläche zu erzeugen.
Die Wärme wird über eine Wärmeübertragungsfläche 2 und die entsprechende in der Trennfuge 4 liegende Gegenfläche eines Kühlkörpers 3 an den Kühlkörper 3 übertragen und von diesem an die Umgebungsluft und/oder eine aufmontierte Last abgeführt.
Der Kühlkörper 3 ist im Bereich der Gegenfläche gefräst, um eine möglichst ebene Kontaktfläche zum Primärteil 1 hin bereitstellbar zu machen.
Kühlkörper 3 und Primärteil 1 werden miteinander durch Schrauben verbunden. Die dabei entstehende Trennfuge 4 ist die wärmeübertragende Fläche, die wesentlich die Wärmeübertragung beeinflusst.
Der Kühlkörper 3 ist vorzugsweise aus Aluminium-Strangguss gefertigt und daher kostengünstig und einfach zu fertigen. Die Gegenfläche wird nach der fräsenden Bearbeitung mit Sandstrahlen bearbeitet, um definierte Rauheiten der Oberfläche zu erzeugen.
Danach wird Wärmeleitpaste zwischen Wärmeübertragungsfläche 2 und Gegenfläche eingebracht.
Zur Herstellung eines guten Wärmeübergangs sind die Kontaktflächen also derart bearbeitet, dass sie möglichst parallel sind, also eine zueinander passende Form aufweisen.
Wie schon beschrieben, ist die Kontaktfläche des Kühlkörpers 3 überfräst, also mittels Fräsen bearbeitet. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch Bearbeitungen durch Hohnen, Schleifen und/oder Läppen zur Herstellung der Ebenheit, also ebenen Form, verwendbar. Diese können auch mit einem Fräsvorgang sich abwechseln.
Bei diesen Bearbeitungsvorgängen, insbesondere beim Fräsen, entstehen Rillen oder entsprechende Vertiefungsausformungen im mikroskopischen Bereich, die eine Vorzugsrichtung aufweisen.
Das Überfräsen bewirkt erstens, dass die erforderliche Ebenheit der Kontaktfläche erreichbar ist, damit das Primärteil und der Kühlkörper eine möglichst große Auflagefläche haben.
Weiter bewirkt das Überfräsen, dass eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung erreichbar ist.
Das Überfräsen bewirkt zusätzlich, dass die Gusshaut der rohen Oberfläche beim Überfräsen entfernt wird. Eine solche Gusshaut, von beispielsweise Kühlkörpern aus Aluminiumdruckguss oder -strangguss, weist nämlich einen höheren Wärmeübergangswiderstand auf. Somit sorgt das Überfräsen für eine zusätzliche Verbesserung der Wärmeableitung.
Wie erwähnt, wird zur weiteren Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen den Primärteil und der Gegenfläche auf dem Kühlkörper Wärmeleitpaste eingebracht. Diese Wärmeleitpaste füllt die verbleibenden Mikro-Zwischenräume aus.
Die verwendete Wärmeleitpaste besteht aus festen Bestandteilen, insbesondere sehr gut wärmeleitenden Stoffen, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Silber, und einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Siliconöl. Es sind bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch weitere und/oder andere Stoffe verwendbar.
Bei gewissen Anlagen oder Maschinen sind wechselnde Belastungen oder Ruheintervalle gefordert. Dabei kann es dementsprechend zu Temperaturwechselbelastungen des Primärteils kommen. Die Temperatur steigt dabei um gewisse Beträge an, die als Temperaturhub bezeichnet werden. Die Häufigkeit der Temperaturhübe trägt auch zu einer Belastung des Primärteils und der Wärmeleitpaste bei.
Die Kontaktfläche des Primärteils weist eine Rauhigkeit von nur 1 bis 10 μm auf. Die Rauheit ist also sehr viel kleiner als die Korngröße der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste.
Die Kontaktfläche 4 des Kühlkörpers wird durch einen entsprechend zugehörigen Bearbeitungsschritt aufgerauht und weist dann eine Rauhigkeit in der Größenordnung der Korngröße der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste auf. Als solcher Bearbeitungsschritt ist Sandstrahlen, Erodieren oder Ätzen verwendbar. Besonders einfach und kostengünstig ist Sandstrahlen. Bei diesem Bearbeitungsschritt zum Herstellen der Rauheit, wird die Form der Kontaktfläche, also die Ebenheit, nicht geändert. Jedoch werden Bearbeitungsrillen des Fräsvorgangs überstrahlt und sozusagen mit Trichtern, die infolge der Einschläge entstehen, versehen.
Da die Rauheit in der Größenordnung der Korngröße der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste liegt, werden diese festen Bestandteile in den Mikro-Tiefen der Kontaktfläche fixiert. Die beste Wahl von Rauheit und Korngröße liegt dann vor, wenn die Kontaktflächen möglichst dicht aneinander anliegen und die Mikroräume mit den festen Bestandteilen möglichst gut aufgefüllt sind.
Wesentlich bei der Erfindung ist, dass die festen Bestandteile der Wärmeleitpaste mittels der Oberflächenstruktur im Mikro-Bereich eine Fixierung erfahren.
Eine Fixierung von möglichst allen festen Bestandteilen bei sich bewegender Wärmeleitpaste, insbesondere sich bewegendem Flüssigkeitsanteil, erfolgt dann sehr gut, wenn die festen Bestandteile in einer zugehörigen jeweiligen mikroskopischen Vertiefung sitzen.
Somit kommt es zu keiner Auswaschung der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste bei wechselnder Temperaturbelastung. Abhängig vom Wärmeausdehnungskoeffizient der flüssigen Bestandteile dehnen sich diese bei Temperaturerhöhung aus. Also treten im Mikrobereich Strömungen auf, die von Temperaturänderungen verursacht werden. Bei Temperaturerhöhung sind diese Strömungen im Wesentlichen in Richtung des Außenbereichs gerichtet, also in Richtung der nicht durch die Kontaktflächen festgelegten Begrenzung des Wärmeleitpaste. Wenn die festen Bestandteile keine Fixierung erfahren würden, würden sie mit den flüssigen Bestandteilen zusammen in den Randbereich oder Außenbereich transportiert werden. Bei Zurückfallen der Temperatur ziehen sich die flüssigen Bestandteile zwar wieder in Richtung des Innenbereichs der Kontaktfläche zusammen, die festen Bestandteile würden aber nicht an denselben Ort zurücktransportiert werden sondern etwas weiter außen als anfangs bleiben. Auf diese Weise würden die festen Bestandteile nach häufig ausgeführten und wiederholten Temperaturwechseln sich im Außenbereich immer mehr ansammeln.
Dann wäre auch die Kühlung des Primärteils nicht mehr ausreichend gewährleistbar.
Das beschriebene Auswaschen der Wärmeleitpaste würde durch die Rillen, die durch die fräsende Bearbeitung entstehen, begünstigt werden. Diese Rillen, die durch die spanende Bearbeitung entstanden sind, sind gleichartig verlaufend, insbesondere auch in den Randbereich oder Außenbereich laufend, und bilden Kanäle in denen sich die flüssigen Bestandteile bewegen und auch die festen Bestandteile, wenn genügend Raum hierfür vorhanden wäre.
Mittels der erfindungsgemäßen Aufrauhung, die durch Sandstrahlen hergestellt wird, erfahren die festen Bestandteile aber eine Fixierung, weil mikroskopische Vertiefungen geschaffen werden, die aber keine Vorzugsrichtung aufweisen, nicht miteinander verbunden sind und auch keine Kanäle darstellen. Insbesondere sind keine Rillen vorhanden, die die festen Bestandteile in Richtung Außenbereich transportieren könnten. Somit tritt das oben beschriebene Auswaschen nicht oder höchstens stark vermindert auf. Außerdem bewegt sich der flüssige Bestandteil der Wärmeleitpaste eher im Bereich der Oberflächenspitzen zwischen der Kontaktfläche des Kühlkörpers und der Kontaktfläche des Primärteils.
Infolge des Sandstrahlens ist die beim Fräsen entstandene Rillenstruktur nicht mehr vorhanden. Somit liegen die festen Bestandteile in abgeschlossenen Bereichen und nicht mehr in den Rillenkanälen, wo sie leichter transportierbar wären.
Bei Temperaturänderung entstehen auch mechanische Spannungen und Verformungen des Primärteils und des Kühlkörpers, wobei auch die Befestigungsschrauben mechanische Spannungen in das Gesamtsystem einbringen. Die so bewirkten Verformungen der Kontaktflächen bewirken ebenfalls Strömungen, die je nach Stärke und Richtung die Temperaturänderungs-getriebenen Strömungen verstärken können.
Statt des Sandstrahlens ist auch Ätzen verwendbar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die aufzurauende Kontaktfläche erhaben ausgeführt ist über einer Oberfläche des Kühlkörpers. Somit muss dann nur dieser Teilbereich eben bearbeitet und danach aufrauend bearbeitet werden und nicht die gesamte Oberfläche. Die Befestigungsschrauben können beispielsweise auch in den nicht-aufgerauten Bereich gelegt werden. Die gezeigte 1 gibt nur symbolisch einen wesentlichen Erfindungsgedanken wieder. Insbesondere sind die Abmessungen nicht maßstäblich.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird auch die Wärmeübertragungsfläche 2 mit Sandstrahlen bearbeitet, wodurch die Rauheit vergrößerbar ist und noch einfacher erreichbar.
Statt der geschilderten Bearbeitungsvorgänge ist auch ein Bearbeiten der Kontaktfläche des Kühlkörpers mittels Erodieren ausführbar, wobei dann die ebene Form und die Rauheit in einem Arbeitsgang herstellbar sind, allerdings kostspieliger.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird der Kühlkörper mit Kühlluft aus einem Gebläse durchströmt. Dies verbessert die Wärmeabfuhr.

Claims

Linearmotor, umfassend zumindest einen Kühlkörper und ein Primärteil, wobei das Primärteil mit dem Kühlkörper wärmeleitend verbunden ist zur Abführung der Wärme vom Primärteil über den Kühlkörper an ein weiteres Medium, insbesondere Umgebungsluft, oder an eine weitere Vorrichtung, wobei zwischen den Kontaktflächen des Primärteils und des Kühlkörpers Wärmeleitpaste zur Verbesserung der Wärmeleitung, insbesondere zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes, eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teilbereich der Kontaktfläche des Primärteils oder der Kontaktfläche des Kühlkörpers aufgerauht bearbeitet und/oder ausgeführt ist.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur wärmeleitenden Verbindung zwischen Primärteil und Kühlkörper die Kontaktflächen mindestens im Teilbereich eben bearbeitet sind, damit die Kontaktflächen dort dicht aneinander anliegen.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich erhaben über der sonstigen Oberfläche ausgeführt ist, insbesondere damit die Bearbeitung einfach und kostensparend auf den Teilbereich begrenzt ausführbar ist.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zumindest im Teilbereich eine Ebenheit, also Formabweichung oder Gestaltsabweichung erster Ordnung, aufweisen, die besser ist als 5 μm pro 10 mm.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit im Teilbereich größer ist als die Korngröße der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit im Teilbereich größer ist als die um 10 μm verminderte Korngröße der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit mit der gemittelten Rauhtiefe R_Z gemäß DIN 4768 beschrieben ist und/oder dass die gemittelten Rauhtiefe R_Z gemäß DIN 4768 einen Wert hat, der größer ist als 20 und/oder dass die gemittelten Rauhtiefe R_Z gemäß DIN 4768 einen 25 beträgt.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zumindest im Teilbereich mittels Fräsen, Hohnen, Schleifen und/oder Läppen zur Herstellung der Ebenheit, also ebenen Form, bearbeitet sind.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen zumindest im Teilbereich mittels Sandstrahlen, Erodieren oder Ätzen zur Herstellung der Rauheit bearbeitet sind.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufrauhung innerhalb der Kontaktfläche isotrop ist und/oder keine Vorzugsorientierung besitzt.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Aufrauhung eine durch vorhergegangene Bearbeitungsschritte entstandenen Rauhigkeit mit Ausrichtung, wie beispielsweise Rillen, überdeckt wird.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil ein oder mehrere Starkstromwicklungen umfasst.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil mit dem Kühlkörper derart wärmeleitend verbunden ist, dass der Wärmeübergangswiderstand zwischen Kühlkörper und Primärteil kleiner ist als der Wärmeübergangswiderstand zwischen Primärteil und weiteren Vorrichtungen oder Medien.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Umgebungsluft, ein metallisches Gehäuse und/oder eine Flüssigkeit ist.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine auf dem beweglichen Teil des Linearmotors aufgeschraubte Last ist.
Linearmotor nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper aus Strangguss gefertigt ist und Ausnehmungen des Strangguss-Profils von einem Gebläse durchströmt sind.